拟除虫菊酯

拟除虫菊酯 拟除虫菊酯类杀虫剂的研究进展 摘 要:拟除虫菊酯类农药自20世纪70年代发展至今已成为三大农药之一。拟除虫菊酯是 一类重要的合成杀虫剂,具有高效、广谱、低毒和能生物降解等特性。本文简要评述了拟除 虫菊酯的研究进展。 关键词:拟除虫菊酯类;杀虫剂;研究进展 Abstract: Pyrethroid pesticides had became one of the three major kinds of pesticides which were widely used throughout the world since 1970s. Pyrethroids are one kind of effective synthetic pesticides,which have been widely used in agriculture andpublic health.The progress on their synthesis and application were reviewed. The progress on their synthesis and application were reviewed. Key words: Pyrethroid; insecticide; research advance 拟除虫菊酯类(pyrethroid)是在天然除虫菊酯化学结构研究的基础上发展 起来的，因其广谱高效的生物活性、较高的环境相容性等特点而被广泛应用于农 [1]业害虫、卫生害虫防治及粮食贮藏中。目前与有机磷、氨基甲酸酯类农药并称 为使用最广的三大农药，使用范围仅次于有机磷杀虫剂，位居杀虫剂市场第2 [2]位。由此看来，拟除虫菊酯类杀虫剂在市场占有巨大的份额，所以对拟除虫菊 酯类杀虫剂的研究进展进行综述是很有必要的。 1 拟除虫菊酯类农药 1.1背景 除虫菊作为农药至今已有110年以上的历史。到20 世纪80年代，英国的 Elliott以天然除虫菊素为先导物，合成了世界第一个拟除虫菊酯类杀虫剂。之后 Elliott在1972年又开发了第一个对光稳定的此类杀虫剂氯菊酯，继而日本住友 化学公司开发了氰戊菊酯，并于1976年商品化。由此揭开了全球农药科技工作 者对拟除虫菊酯的研究和开发。历程40余年，全球共开发了近80个拟除虫菊酯 [3]类杀虫剂。 1.2研究进展 1.2.1第一代拟除虫菊酯类农药 第一代拟菊酯类农药的化学结构和理化性质与天然除虫菊素的十分接近,尤 其是菊酸部分与天然除虫菊素极为相似。这类菊酯农药有胺菊酯、烯丙菊酯、环虫菊酯、苯醚菊酯、节吠菊酯、喃烯菊酯、节菊酯和炔呋菊酯等。它们的菊酸部分都含有一个三角形环丙烷组成的梭酸结构。由于化学结构的相似性,它们具有天然除虫菊素的共性，但是也有自己独特的特点。例如对哺乳动物毒性低、易于生物降解、不污染环境、对害虫的击倒能力强和击倒速度快等特性,而且大多数物质熏蒸和驱赶害虫的能力比天然除虫菊素要好。它们也具有与天然除虫菊素相同的缺点,例如对光不稳定、易被氧化分解成无效体等。因此,此时的拟除虫菊酯只能作为卫生杀虫剂使用,而不能用作农作物杀虫剂。 1.2.2第二代拟除虫菊酯类农药 第一代拟除虫菊酯类农药的缺点限制了它们在农业上的应用。1973年英国的Ellintt.M博士将菊酸中环丙烷梭酸的乙烯侧链上两个不稳定甲基用卤素取代,由此研制出第一个对光稳定的第二代菊酯化合物氯菊酯。从氯菊酯的化学结构可以看出,该菊酸部分的三角形环丙烷结构完全没变,只是用两个氯替代了两个甲基,所以整个化合物仍为拟除虫菊酯,并同样具有拟除虫菊酯的共性。它们有强烈的触杀和胃毒作用、高效和广谱、对哺乳动物毒性低、易降解、不污染环境等特点。 、氯氰菊酯、氟氯菊酯、氟氯氰菊酯和氯氟氰菊酯第二代菊酯类农药有溴氰菊酯 等。 1.2.3其他除虫菊酯类杀虫剂 上述除虫菊酯类农药的典型特点是模拟天然除虫菊素的化学结构,但是现在有些菊酯农药的结构中的酸和醇部分和上述两类菊酯差别已很大,甚至有些化合物例如氟氰戊菊酯、氟胺氰菊酯、醚菊酯和氯醚菊酯等根本就不含菊酸结构。它们和天然除虫菊素化学结构相差较大,故有人认为不是拟除虫菊酯类。但是它的杀虫机理、杀虫活性与其他菊酯类农药相似,所以这类化合物目前也被归为菊酯农药。 2活性最高的农用菊酯类杀虫剂，仅以10g/hm剂量就能持久控制蚜虫。在全 [4]球化学农药中菊酯类农药杀虫剂早已成为杀虫剂中一种重要的类型。 国内拟除虫菊酯类农药杀虫剂的开发始于上世纪70年代，在江苏农药研究所程喧生研究员的倡导下，于1972年在国内首先开发研制，并研制出二氯苯醚 [5]菊酯等品种。随后国内相继开发出如氯氰菊酯、高效氯氰菊酯、氰戊菊酯、澳 氰菊酯和高效氯氟氰菊酯等产品。现在,菊酯类农药已有许多品种，而且已有相当大的产量，例如登记的氯氰菊酯、高效氯氰菊酯和氰戊菊酯的生产企业就不下数百家。在上世纪末菊酯类农药的重要性和产量在杀虫剂中仅次于有机磷杀虫剂。 2拟除虫菊酯类农药分类以及作用机制 2.1 拟除虫菊酯类农药分类 拟除虫菊酯类农药的一般结构如图 1所示，通常根据分子结构是否带有氰 [6]基分为两大类。区分这两大类化合物就是靠判断分子中有无氰基，?型拟除虫菊酯是不含有氰基取代基，如氯菊酯(图2)、胺菊酯，只有其环丙基环上有2个手性中心，所以?型拟除虫菊酯类通常只有2个非对映异构体; ?型是含有α-氰基，如溴氰菊酯、氯氰菊酯(图3) 、氰戊菊酯、高效氯氟氰菊酯等，?型拟除虫菊酯类除了环丙基环上的2个手性中心外，还有连接氰基的α-碳原子，因此有 [7]4个非对映异构体。但是高氰戊菊酯不具备环丙基环，只有2个非对映异构体。这两种类型拟除虫菊酯类农药在光照或加热的情况下都会引起顺式-反式异构化，而?型拟除虫菊酯类农药在极性溶剂中因α-质子易发生交换导致异构化，如溴氰菊酯在乙腈溶液中有30%转化成它的异构体，但是在酸性溶液中是稳定的。 ZW OOW OY 图1 拟除虫菊酯的一般结构 Fig.1 General stracture of pyrethroids Cl OOCl O 图2氯菊酯(W:Cl;Y:H;Z:H) Fig.2 Structure of permethrin Cl OOClON 图3 氯氰菊酯(W:Cl;Y:CN;Z:H) Fig.3 Structure of cypermethrin 2.2 拟除虫菊酯类农药作用机制 拟除虫菊酯类引起的中毒症状可分为兴奋期与抑制期两个阶段。在兴奋期，昆虫乱爬动;到抑制期，活动逐渐减少，进入麻痹期，最后死亡。在这两个时期中，神经活动各有其特征性变化。受毒化的神经的放电过程中，在电刺激产生单一尖峰以后，紧接一个延续的负后电位，并随后出现一系列的动作电位，即所谓重复后放。重复后放是昆虫的中毒初期，即兴奋期。然后转入不规则的后放，有时产生一连串的动作电位，有时停止。这一阶段内昆虫出现痉挛和麻痹，而当重复后放变弱时即进入完全麻痹。传导的终止即为死亡的来临。在麻痹之后用生理盐水洗去拟除虫菊酯，不能或极少使昆虫恢复。这些表征，特别是击倒作用的迅速出现，说明拟除虫菊酯这一类化合物是神经毒剂，作用迅速。 近年来的研究表明，拟除虫菊酯对靶标部位的选择性不是绝对的，它同时涉及神经系统的其他部位。国内外大量研究表明:拟除虫菊酯除了作用于神经系统 [8-9]的钠通道以外，还对体内ATP酶、乙酰胆碱酯酶(AchE)、抗氧化酶、谷胱 [10]甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶等一系列重要的酶产生活性抑制作用。并且拟除虫菊酯在不同组织内、不同生物体内对酶的抑制作用存在明显差异，同时抑制作用还会受分子结构、温度、浓度等因素的影响。 3 拟除虫菊酯类杀虫剂的现状 根据MarketsandMarkets发布的最新报告“2019年拟除虫菊酯全球市场趋势及预测”显示，2014年拟除虫菊酯杀虫剂市场的价值约为25.5962亿美元，预计到2019年将以4.8,的复合年增长率增长至32.3324亿美元。由于作物健康在农业中的重要性日益增加，预计拟除虫菊酯杀虫剂市场将获得稳步增长。根据2014年所做的研究，2013年亚太地区是最大的拟除虫菊酯杀虫剂市场，预计到2019年该市场将以5.2,的复合年增长率增长到12.1679亿美元，欧洲是继亚太市场后的第二大市场，预计将获得4.6,的年复合增长率。 3.1 对拟除虫菊酯类杀虫剂结构中部分结构的改变 拟除虫菊酯类农药中的菊酸部分是其重要的药效团，国内学者纷纷将菊酸部分引入一些活性母体结构中，合成筛选系列新型化合物，很多专家和老师对此付出了很大的努力，并取得了很大的成果。2,2-二甲基-3-(2,2-二甲基乙烯基)-环丙 烷羧酸(简称甲基菊酸)是商品化农药丙烯菊酯、苯醚菊酯、烯炔菊酯、甲醚菊酯、苄烯菊酯、氟炔菊酯等众多农药的关键中间体, 三氟氯菊酸是氯氟氰菊酯关键中间体, 二氯菊酸是氯氰菊酯、氟氯氰菊酯(百树菊酯)的关键中间体, 二溴菊酸是溴氰菊酯的中间体。国内实际生产的氯氰菊酯、功夫菊酯、氰戊菊酯和溴氰菊酯在蔬菜瓜果等经济作物上用途广泛，各自的药效团——菊酸(三氟氯菊酰酸、二氯菊酸、二溴菊酸、异丙基对氯苯乙酸)代表不同结构的取代基, 具有一定的典 [11]型性。总之噻唑菊酰胺类结构具有一定的杀虫杀菌活性, 尤其是 N-(5-硝基噻唑-2-基)-菊酰胺类化合物作为具有一定杀虫活性的母体分子骨架, 可以为进一步的结构修饰提供一定的基础。 3.2拟除虫菊酯类杀虫剂在环境中的降解 早期研究表明，拟除虫菊酯类农药普遍具有对环境友好、降解速率慢、持效期长、使用安全等特点，而近年来随着拟除虫菊酯类农药的广泛使用，有关其残留问题及危害也日益显露。最近研究表明，此类农药有蓄积性，长期接触即使是 [12]低剂量也会引起慢性疾病，对一些有益生物(如蜜蜂)造成极大危害。 3.2.1物理性吸附 物理性吸附即范德华力吸附，是指在范德华力的作用下把物质吸附下来的过程，物理性吸附对于疏水性农药的滞留以及降解是非常重要的。拟除虫菊酯的物理性吸附主要受吸附介质控制，矿物、悬浮沉积物、玻璃、木炭、钾长石等不同介质吸附通量迥异。 3.2.2化学性降解 化学性降解包括光降解、水解、氧化还原、人工湿地和其他因素。光化学降解是拟除虫菊酯类农药在环境中迁移转化的重要途径，有自然光照降解、紫外光 [13]照降解、光催化降解、辐照降解等。低温避光是拟除虫菊酯在环境中稳定存在的先决条件。基体组合物、容器材料及样品的酸度会增强拟除虫菊酯的不稳定[14]性。通过氧化还原反应降解拟除虫菊酯主要包括以下几个方面:一是酶的氧化还原作用;二是NO自由基对拟除虫菊酯的降解作用。人工湿地对拟除虫菊3 酯农药的降解和去除具有很好效果，成为拟除虫菊酯类农药降解和消除的有效手 [15]段之一，因此人工湿地的利用及开发也逐渐得到人们的重视。当拟除虫菊酯 类农药运用到环境中时，其降解途径就会受到环境中多种介质的作用，例如渤海 2+海岸带沉积物中外加Cd对拟除虫菊酯的缺氧生物降解有抑制作用，抑制作用 [16]随着外加金属离子浓度的增大而更为明显。 3.2.3生物降解 拟除虫菊酯生物降解范围较广，主要指微生物的分解作用。利用微生物降解农药具有操作简单、高效低成本、无二次污染等优点，被认为是环境污染物治理 [17-18]最有效、最可行和最可靠的方法。 3.3新开发的拟除虫菊酯类杀虫剂品种 目前，新的拟除虫菊酯类杀虫剂品种仍不断被开发，特别是卫生用杀虫剂，在卫生杀虫剂内，拟除虫菊酯类杀虫剂约占80%，非农用途是拟除虫菊酯类杀虫 [19]剂较好的出路。尽管拟除虫菊酯类杀虫剂的开发高峰已过，但由于其在非农领域中出色的效果，仍有不少新的拟除虫菊酯类杀虫剂问世，尤其是住友化学和扬农股份公司在防治卫生害虫用药剂的开发。 1) 甲氧苄氟菊酯(metofluthrin) 此杀虫剂亦为日本住友化学公司开发的防治卫生害虫用杀虫剂。 2) 四氟甲醚菊酯(dimefluthrin) 该药剂由日本住友化学公司开发的防治卫生害虫用菊酯类杀虫剂。 3) Profluthrin 同为日本住友化学公司开发的防治卫生害虫用杀虫剂。 4) 右旋反式氯丙炔菊酯 扬农股份有限公司于1999年创制的拟除虫菊酯类杀虫剂。该剂蒸气压高，对卫生害虫具有很高的击倒及致死作用，药效为胺菊酯10,15倍。鉴于不准三元以上有效成分混配，该杀虫剂将有很好的市场前景。 5) 氯氟醚菊酯(meperfluthrin) 扬农股份有限公司2008年创制的卫生用拟除虫菊酯类杀虫剂，于2009年获得登记。 6) 右旋七氟甲醚菊酯(D-teflumthrin) 该药剂为我国扬农股份公司创制的卫生用杀虫剂，由于此化合物的蒸气压高，在常温或有风时，即可挥发一定量的成分，达到防蚊效果，可无需用电加热， [20]既安全又环保。 4 结语 到2011年全球销售额在上亿美元的杀虫剂品种共有39个，其中菊酯类农药就有11个，他们分别是氯氰菊酯(2.95亿美元)、Zeta-氯氰菊酯(1.50亿美元)、高效氯氟氰菊酯(4.55亿美元)、溴氰菊酯(3.30亿美元)、联苯菊酯(2.30亿美元)、氟氯氰菊酯(1.50亿美元)、順式氯氰菊酯(1.80亿美元)、S-氰戊菊酯(1、25亿美元)、氯菊酯(1.85亿美元)、七氟菊酯(1.10亿美元)。在短短八年中，全球销售额上亿美元菊酯类又增加了5个。 拟除虫菊酯类杀虫剂从开发到今天，为农业稳产、丰产和环境卫生及人类健康作出了很大的贡献。最近，由于新烟碱类杀虫剂对蜜蜂毒性，有专家提出了用拟除虫菊酯类杀虫剂予以替代。这就有可能使拟除虫菊酯类杀虫剂获得新的发展机遇。而且，拟除虫菊酯类杀虫剂在防治卫生害虫上的作用和地位不可憾动。为了进一步发展拟除虫菊酯类杀虫剂，人们仍继续开发新的品种。例如，有研究人员从剂型着手，考虑以制剂加工的方法，通过土壤处理、避光包衣缓释等手段，使一些高活性但见光易分解的菊酯类品种扩展到农田应用。总之，拟除虫菊酯类 十分可观。 杀虫剂的前景依然十分美好， 参考文献 [1] 李玲玉, 刘艳, 颜冬云, 等. 拟除虫菊酯类农药的降解与代谢研究进展[J]. 环 境科学与技术, 2010, 33(4): 65-71. 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